Для того, чтобы автоматизировать процесс поддержания благоприятного для растений микроклимата в теплице или оранжерее, необходимо осуществлять контроль и регулирование следующих параметров:
• температуры и влажности воздуха;
• температуры и влажности почвы;
• освещенности;
• предельно допустимой температуры воздуха;
• предельно допустимой влажности воздуха;
На первый взгляд эта задача кажется очень сложной и непосильной для ее решения «домашними» средствами. Однако если систему автоматического обеспечения микроклимата построить по блочному принципу, когда контроль и регулирование перечисленных параметров осуществляется независимыми электронными блоками, каждый из которых отвечает за свой параметр, то задача уже не покажется такой сложной. Именно таким образом сделана разработанная мной автоматическая система (рис. 1). В состав каждого функционального блока, отвечающего за тот или иной параметр, входят соответствующий датчик (влажности, температуры, освещенности), унифицированные усилитель сигнала датчика и электронный ключ управления внешним исполнительным устройством.


В качестве исполнительных устройств применены стандартные электроприборы, работающие от сети ~220 В: вентилятор, калорифер, насос, лампы освещения и т.д. Это позволило не только упростить изготовление и налаживание всей системы, но и почти полностью унифицировать схемы всех функциональных блоков.
В состав системы входит также электронное часовое устройство - таймер (см. рис. 1), который предназначен для отключения блока регулирования освещенности в ночное время. Кроме того таймер выполняет функции дозирования в блоке регулирования влажности воздуха.
И, наконец, еще один принципиальный момент - выбор датчиков. Именно от выбора датчика зависит схемное решение, сложность и надежность каждого из функциональных блоков системы. В данном случае во всех блоках использованы самодельные датчики, которые по сути представляют собой делитель напряжения, состоящий из собственно датчика и потенциометра с отградуированной шкалой рабочего значения соответствующего параметра.
Забегая вперед, хочу отметить, что использование самодельных датчиков позволило отказаться от громоздких и сложных в настройке аналоговых усилителей сигнала. Все усилители функциональных блоков построены по унифицированным (практически идентичным) схемам на элементах цифровых логических микросхем серии К176. Такие схемы не требуют никакой предварительной регулировки. А настойка каждого из функциональных блоков сводится к градуировке шкалы потенциометра соответствующего датчика.



Описание системы автоматического обеспечения микроклимата целесообразно начать с блока контроля и регулирования влажности почвы.
Блок контроля и регулирования влажности почвы, в отличие от всех остальных функциональных блоков системы обеспечения микроклимата, выделен в самостоятельную конструкцию и собран в отдельном корпусе со своим автономным блоком питания. Это связано с тем, что датчик влажности почвы имеет непосредственный контакт с землей. Поэтому и усилитель сигнала датчика, и электронный ключ управления системой полива должны иметь гальваническую развязку от сети ~220 В.


Датчик влажности почвы (ДВП) представляет собой два электрода, каждый из которых сделан из прутков нержавеющей стали ∅3-5 мм. Расстояние между электродами 18-20 мм, а длина рабочего участка (глубина погружения в почву) - не менее 10-15 см. Конструкция этого датчика очень хорошо видна на фото и, по-видимому, дополнительных пояснений не требует.
Усилитель сигнала датчика влажности почвы (рис. 2) собран на трех инверторах микросхемы DD1 типа К176ЛА7, а электронный ключ на элементах VT1, VT2, U1 и тиристоре VS1. Оптрон U1 типа АОУ103 обеспечивает гальваническую развязку усилителя и датчика ДВП от элементов схемы, находящихся под напряжением ~220 В. Система полива (насос) подключается к разъему XS1.
Источник питания +12 В собран по достаточно простой схеме и никаких особенностей не имеет. Особые требования предъявляются только к конструкции сетевого трансформатора Тр1, который должен иметь надежную изоляцию между первичной и вторичной обмотками. В качестве Тр1 можно использовать как готовый, типа ТН, ТАН, ТП, мощностью 10-12 Вт с напряжением вторичной обмотки около 14 В, так и самодельный.


Блок контроля и регулирования влажности почвы вместе со своим блоком питания собран в отдельном корпусе. В целях безопасности корпус сделан деревянным - из дощечек толщиной 12-15 мм и многослойной фанеры 6-8 мм. Детали корпуса собраны в шип на водостойком клее и пропитаны горячей натуральной олифой.
На лицевую панель корпуса вынесены все органы управления блоком: сетевой выключатель, гнездо предохранителя, ручка потенциометра R1 со шкалой, разъем датчика типа СГ-3 и розетка для подключения исполнительного устройства - насоса.
Усилитель блока с управляющими транзисторами электронного ключа и блок питания собраны на одной печатной плате. Тиристор VS1 и силовые диоды VD1-VD4 электронного ключа установлены на теплоотводы из листового алюминия толщиной 2-3 мм с размерами 150x150 мм. Теплоотводы, согнутые в виде буквы «П», крепят на задней крышке корпуса с внутренней ее стороны. Размеры пластины теплоотвода для VT3 блока питания (см. рис. 2) - 40x40 мм.
Номиналы и типы большинства деталей указаны на принципиальной схеме. Постоянные резисторы - МЛТ. Электролитические конденсаторы - типа К50-35, остальные - КМ или аналогичные. Микросхему серии К176 можно заменить ее аналогами серии К561, КР1561 илиСР4000.
На шкалу потенциометра R1 (см.рис.2) датчика влажности почвы ДВП метку, соответствующую моменту включения системы полива, наносят следующим образом. Датчик ДВП помещают в любую емкость глубиной около 15 см (без воды). Находят положение потенциометра R1, при котором зажигается нагрузочная лампа, включенная вместо насоса полива. Затем наливают в емкость с датчиком воду - лампа должна погаснуть. Повторив эту процедуру несколько раз, подбирают положение R1, при котором нагрузочная лампа надежно зажигается и гаснет. В этом положении R1 на его шкале и ставят метку.
Точку размещения датчика влажности почвы в теплице лучше подобрать экспериментально, добиваясь равномерного насыщения почвы влагой за время работы системы полива.
Остальные функциональные блоки системы автоматического обеспечения микроклимата: контроля и регулирования влажности воздуха, контроля и регулирования температуры воздуха, регулирования температуры почвы, а также регулирования освещенности конструктивно объединены вместе с общим блоком питания и таймером в одном общем корпусе.
Как уже отмечалось выше, все усилители функциональных блоков и электронные ключи управления исполнительными устройствами построены по унифицированным (практически идентичным) схемам. На рис.3 приведены схемы блоков регулирования температуры воздуха (рис.За), контроля предельно допустимой температуры воздуха (рис.36) и регулятора температуры почвы (рис.Зв).


Каждый из блоков содержит датчик температуры (ДТВ1, ДТВ2 и ДТП соответственно), унифицированный усилитель и электронный ключ. Первый блок (рис. За), собранный на элементах ДТВ1, DD1.1, DD1.2, VT1 и VS1, регулирует температуру воздуха в теплице, управляя работой калорифера (электрический подогреватель воздуха), который подключают к разъему XS1.
В качестве датчика температуры использован германиевый транзистор p-n-р структуры ранних выпусков в металлическом корпусе (типа МП15А, МП16Б, МП20А, МП25Б, МП26Б, МП41А или другие аналогичные). Чем выше статический коэффициент передачи тока транзистора, тем выше чувствительность датчика. Базовый вывод транзистора (см. рис. За, б, в) не используется и его можно обрезать.
Транзистор датчика температуры воздуха ДТВ1 монтируют на планке из фольгированного текстолита 15x60 мм толщиной 1-3 мм. На планке резаком формируют контактные площадки, к которым подпаивают выводы транзистора и отводящие провода. Корпусом служит отрезок пластмассовой трубки подходящего диаметра. В нее вставляют и закрепляют парой винтов планку с распаянным транзистором датчика. Пластмассовый корпус необходим для надежной изоляции как самого датчика, так и его выводов.
Заданный уровень температуры (от +18°С до +28°С), при которой калорифер отключается от сети, устанавливают потенциометром R1. Если же температура воздуха ниже заданной потенциометром R1, то электронный ключ на VT1 и VS1 включает калорифер для подогрева.
Контроль за предельно допустимой температурой воздуха осуществляет второй блок (см. рис. 36), собранный на элементах ДТВ2, DD1.3, DD1.4, VT2 и VS2.
Температуру от +28°С до ЗО'С устанавливают потенциометром R4. При достижении этой температуры ключ на VT2 и VS2 включает вентилятор для проветривания помещения, не позволяя превышать верхний порог неблагоприятной для растений температуры воздуха. Датчик ДТВ2 имеет точно такую же конструкцию, как и ДТВ1, рассмотренный выше.
Схема блока регулирования температуры почвы (см. рис. Зв) полностью идентична схеме блока регулирования температуры воздуха (см. рис. За - канал управления калорифером).
Транзистор датчика температуры почвы ДТП (см. фото) помещен в стеклянную пробирку и залит эпоксидным клеем. Горловину пробирки закрывают резиновой пробкой, через которую пропущены отводящие провода. С датчиком ДТП необходимо обращаться очень аккуратно и осторожно. Пробирку обязательно нужно извлекать из почвы при любой обработке грунта. Это позволит избежать случайного повреждения датчика или отводящих проводов и исключить возможность несчастного случая, связанного с поражением электрическим током.
Датчики температуры калибруют с помощью бытового термометра со шкалой 0°-+50°С.
Вместо калорифера к розетке XS1 подключают лампу накаливания мощностью 60-100 Вт - имитатор нагрузки. Датчик блока ДТВ1 располагают непосредственно на шарике термометра. При комнатной температуре с помощью потенциометра R1 добиваются включения нагрузочной лампы. На шкале R1 ставят метку температуры, соответствующей показаниям эталонного термометра. Далее, подогревая датчик с помощью настольной лампы или охлаждая его с помощью стакана с замороженной водой, делают отметки на шкале R1 в диапазоне от +18°С до +30°С.
Шкалу потенциометра R4 блока управления вентилятором (датчик предельно допустимой температуры воздуха ДТВ2) калибруют аналогичным образом в диапазоне от +18°С до +30°С. Датчик температуры почвы ДТП и шкалу потенциометра R17 градуируют в интервале от +12°С до +20'С.